اندازه گیری شکل یک فوتون

[مسافر007]

پژوهشگران «شکل» پیچیده فوتون های منفرد را اندازه می گیرند که می تواند به راه های جدیدی از کدگذاری اطلاعات منجر شود. کدگذاری اطلاعات در فوتون های منفرد یکی از روش ها برای اطلاعات کاملا سری و محاسبات قدرتمند است، اما بازیابی کاملا اطلاعات اندکی مشکل است. پژوهشگران راهی را برای دقیق کردن اندازه گیری مجموعه ای از فوتون های منفرد ایجاد کرده اند؛ این فوتون ها در حالت های یکسان اما دلخواه قرار دارند. این روش امکان استفاده در انتقال داده توسط حالت های داخلی پیچیده نور دارد.

پالسی از نور تقریبا می تواند هر شکلی در فضا و زمان داشته باشد و این شکل با دامنه ها و فازهای مولفه های بسامدی آن تعیین می شود. شگفت آن که تک فوتون ها را نیز می تواند در طیفی از شکل های پیچیده تولید کرد. تفاوت آن است که دامنه یک فوتون ها تنها متناظر با مقدار معینی از شدت میدان الکتریکی نیست و در عوض، به احتمال تشخیص فوتون در هر مکان و زمان باز می گردد.

بنابراین پژوهشگران می توانند اطلاعات را در شکل فوتون ذخیره کرده و آن را از نقطه ای به نقطه دیگر منتقل کنند. انعطاف زیادی در این کار وجود دارد به طوری که می توان شکل فوتون ها را به شکل حروف الفبا و حتی ترکیب کوانتومی از آن ها شکل دهی کرد. اما این سامانه تشخیصی باید بتواند حتی بعد از اغتشاش فوتون طی سفرش از فرستنده، مثلا حرف P و Q را تمیز دهد.

مارکو بلینی[1] و همکارانش از موسسه ملی اپتیک در فلورانس ایتالیا روشی را یافته اند که چنین سامانه ای را با اندازه گیری شکل دقیق [فوتون] ظاهر شده در طرف دریافت با شرایط ثابت تنظیم کرده اند. آن ها روش خود را از حوزه کنترل همدوس وام گرفته اند، حوزه ای که در آن پژوهشگران میدان الکتریکی وابسته به زمان یک پالس لیزر را ترسیم می کنند.

ایده آنها این است که فوتون ها «مخلوط» می کنند تا آن را با پالس لیزر شدیدی اندازه گیری کنند تا فوتون و پالس تداخل کرده و یکدیگر را بسته به شکل‌هایشان تضعیف یا تقویت کنند. هرچه شکل ها نزدیک تر باشند، احتمال تشخیص فوتون بیشتر است. تکرار این کار با فوتون های یکسان و شکل دهی متناوب پالس بر اساس داده ها با استفاده از داده های قبل، این آزمایش را بهینه سازی کردند.

پژوهشگران با استفاده از جداسازی پرتو یک لیزر، در ابتدا دو جریان از پالس های لیزر فراکوتاه ساختند. یک جریان به بلوری فرستاده شد که یک جفت فوتون تولید می کند- یکی بعد از شکلدهی عمدی یا غیرعمدی آشکارسازی می شود و دیگری به عنوان تریگر آشکارساز به کار می رود. جریان دیگر که که نوسانگر محلی نامیده می شود، حاوی پالس های قدرتمندی است که گروه می تواند آن را شکل دهد و سپس با فوتون ها مخلوط کند.

پژوهشگران در ارایه خود تنها مولفه های بسامدی پالس های نوسانگر موضعی را مشخص کرده اند، اگرچه می گویند که می توان تغییرات فضایی را نیز تنظیم کرد. آن ها ابتدا از توری برای جداسازی مولفه های بسامدی متفاوت استفاده کردند و سپس به شکل مستقل شدت و فاز هر مولفه را تغییر دادند و در نهایت از توری دوم برای بازآمیزش آن ها استفاده کردند. بلینی می گوید:«هر شکلی که بخواهید می توانید بسازید.»

برای انتخاب بهترین شدت ها و فازها برای تطبیق شکل فوتون، گروه از الگوریتم «ژنتیک» ملهم از تکامل زیستی استفاده کردند. با آغاز از مقادیر انتخابی تصادفی، آن ها مرتب اعداد را با مقادیر «به ارث برده» از پارامترهای موفق قبلی در تشخیص فوتون جایگزین کردند. این فرایند تا ظهور بهترین جواب تکرار شد.

همچنین پژوهشگران نشان دادند که طرح آن ها می تواند اطلاعات عمدی کدشده در حالت های پیچیده فوتون را بازیابی کنند. مثلا، آن ها فوتون هایی ایجاد کردند که دو مولفه بسامدی مجزا با اختلاف فاز خاص دارد. این فوتون ها با استفاده از پالس های نوسان موضعی با اختلاف فاز منطبق، به خوبی شناسایی شدند. اما وقتی مولفه ها در نوسانگر موضعی دقیقا با فوتون ها ناهمفاز باشد، تقریبا هیچ فوتونی آشکار نمی شود.

آوی پیر[2] از دانشگاه بار ایلان می گوید این طرح آشکارسازی همان «کنترل همدوس خالص و ساده است که به شکل کلاسیک انجام می شود. نکته این است که این ها فوتون های تنها هستند.» زو-چیه وی[3] از دانشگاه استونی بروک در نیویورک می گوید که نمایش کدگذاری پیچیده برجسته است زیرا غیبت آشکارسازی در بعضی شرایط به این معنی است که سامانه واقعا به حالت داخلی همدوس فوتون ها حساس است.


psi.ir